劉君鵬，陳湘清

（1.天山鋁業(yè)集團股份有限公司，新疆石河子 832000；2.湖南綠脈環(huán)保科技有限公司，湖南長沙 410001）

炭渣是電解鋁生產(chǎn)過程陽極表面的脫落進入電解質(zhì)，被打撈出的固體廢棄物，因其成分含氟、具有浸出毒性而被列入《國家危險廢物名錄》（2021）。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t鋁就會伴隨產(chǎn)生5～15 kg的鋁電解槽炭渣[1]。2020年，我國鋁產(chǎn)量為37 080 kt，約產(chǎn)生185.4~666.2 kt/a炭渣。

1 炭渣來源及影響

鋁電解槽為工業(yè)煉鋁設備，其主要工作原理是以氧化鋁作為原料，以熔融冰晶石為熔劑組成電解質(zhì)，以炭素體為陽極，在950~970℃溫度下在電解槽內(nèi)進行電解。氧化鋁分解為金屬鋁與氧，鋁在碳陰極以液相形式析出，氧在碳陽極以二氧化碳形式逸出，化學反應式如下：

采用電解方法生產(chǎn)金屬鋁，過程中不斷消耗陽極。由于陽極質(zhì)量不穩(wěn)定，以及電流效應的原因，使得陽極炭塊會脫落陽極細粉，使部分碳顆粒脫落進入電解槽熔鹽電解質(zhì)形成炭渣。

炭渣的產(chǎn)生會增加電解質(zhì)的電阻率，在槽電壓恒定的情況下，導致極距減小，加劇電解質(zhì)與鋁液界面上鋁的二次溶解損失，最終導致電流效率降低，對鋁電解過程影響較大，因此必須及時從電解槽中撈出。撈出后的炭渣主要成分是碳素、氟化鹽、氧化鋁、鐵化合物和其他微量元素，如果不進行合理的處置回收，大量堆存在露天，所含的可溶氟隨雨水滲入地下，會給環(huán)境帶來不利影響。

目前，國內(nèi)主要的炭渣處理方法有浮選法、真空冶煉法和焙燒法。本文以天山鋁業(yè)集團炭渣回收處理項目為例，探討炭渣提鋁對炭渣回收處理的影響。

2 浮選法回收炭渣的原理與流程

碳和電解質(zhì)是炭渣的主要成分。其中，電解質(zhì)的主要成分為冰晶石和亞冰晶石，其余主要為氧化鋁、氟化鈣、氟化鎂、鋰冰晶石、氟化鋁等。天山鋁業(yè)采用浮選法即利用碳和電解質(zhì)物理性質(zhì)的差異實現(xiàn)了炭渣中各種成分的分離，所得碳精料可用作炭素產(chǎn)品生產(chǎn)原料，所得電解質(zhì)精料可直接返回電解槽使用。

2.1 浮選法回收處理炭渣原理

浮選法能夠有效地將炭渣中碳與電解質(zhì)進行分離與再利用，是由炭渣所含物質(zhì)的性質(zhì)決定的：1）性質(zhì)差異。炭渣中的碳和電解質(zhì)在物理性狀上表現(xiàn)較大差異，碳為疏水性物質(zhì)，而電解質(zhì)是親水性物質(zhì)，因此可以利用兩者對水的表面性質(zhì)的差異進行分離。炭渣中不同成分的性質(zhì)差異見表1。2）可分離性。炭渣中的碳和電解質(zhì)來自于電解槽的不同位置，因此二者之間有明顯的界面，可以通過破碎或磨礦方式實現(xiàn)二者解離。

表1 炭渣中不同成分的性質(zhì)差異g/cm3

2.2 工藝流程

回收處理總體思路為采用“破碎磨礦+浮選+過濾烘干”的分選工藝：將炭渣磨至一定粒度，使炭渣中的電解質(zhì)與碳粉充分解離，加水調(diào)漿后加入浮選藥劑，根據(jù)碳與電解質(zhì)的表面性質(zhì)差異，碳粉沾附在泡沫上，隨著泡沫上浮，經(jīng)浮選機溢流口溢出，電解質(zhì)則從底流放出，達到碳粉與電解質(zhì)的分離，從而得到碳粉與電解質(zhì)兩種產(chǎn)品。碳粉過濾去水分烘干，可返回陽極糊生產(chǎn)中，作為微粉料使用；電解質(zhì)經(jīng)干燥后返回電解槽中，作為對其電解質(zhì)消耗的正常補充。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 提鋁及浮選回收處理工藝流程

然而，在實際生產(chǎn)過程中，炭渣是由人工使用漏勺從電解槽中打撈的。理論上，如果漏勺停留時間久，鋁液和炭渣就能分離，撈出炭渣中含有的金屬鋁量就比較少；但一般情況下，由于工人畏懼高溫，通常撈出就立刻倒掉，鋁液來不及分離，使得鋁液和碳粉一起被傾倒入待處理的炭渣中，造成了鋁的損失。金屬鋁液與炭渣混合撈出后，經(jīng)循環(huán)水池冷卻，其中的鋁液變成塊狀、粒狀的金屬鋁。由于金屬鋁的強度非常大，而且是變形金屬，一般難以破碎，給后續(xù)的炭渣回收處理帶來了更大的麻煩。因此，在采用浮選法對炭渣進行回收處理之前，有必要對打撈出來的炭渣進行提鋁預處理。

3 炭渣提鋁對回收處理的影響

3.1 炭渣提鋁必要性

1）炭渣提鋁對破碎、球磨與旋分的影響。炭渣回收主選工藝是濕法浮選工藝。在浮選時，炭渣需要提前粉碎，通常采用破碎與球磨方式。首先，大塊金屬鋁與其他雜質(zhì)須經(jīng)過裝載機粗篩預處理后，將原料粒度降至200 mm以下，再進入破碎機下料斗，否則會造成下料不太順暢。大塊原料進入破碎機偶爾會導致搭拱架橋現(xiàn)象，甚至會卡住破碎機，此時必須停止破碎機，通過人工振打疏通將其去除。一旦造成破碎設備的損壞，檢修非常麻煩。破碎出料粒度一般小于40 mm，球磨一般采用溢流式球磨機，分級采用復合振動篩，副產(chǎn)品為金屬鋁料?；诖?，在鋁電解過程中，工人撈取炭渣時應保持強烈的責任意識，盡量減少帶出鋁的損失，從而提高后續(xù)設備工作效率。

2）炭渣提鋁對浮選指標的影響。小顆粒金屬鋁被帶入到球磨機中后，在鋼球的磨輥下，變成片狀的小顆粒，最后經(jīng)球磨機出口的篩網(wǎng)篩出，從而達到分離和利用的目的。同時，球磨粒度及漿料濃度對浮選指標即碳及電解質(zhì)回收率、品位及藥劑成本等影響較大。鋁含量過高會影響球磨粒度及漿料濃度，給后續(xù)浮選回收指標產(chǎn)生不利影響，并降低碳與電解質(zhì)的回收率及產(chǎn)品品位。所以，提鋁回收率應達到90%以上，使炭渣中鋁質(zhì)量分數(shù)降低到0.02%以下，盡量減少對后續(xù)回收處理的影響。

以天山鋁業(yè)為例，提鋁后的炭渣中碳質(zhì)量分數(shù)在30%左右，電解質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在65%~70%左右。

3.2 提鋁價值

當前的鋁價在18 500元/t以上，通常炭渣中的鋁質(zhì)量分數(shù)為2%左右，偶爾還會更高。按照每噸電解鋁產(chǎn)消耗470 kg陽極，產(chǎn)生12 kg炭渣測算，一個40 kt規(guī)模的鋁廠將產(chǎn)生4.8 kt炭渣，同時損失96 t金屬鋁，折損將近110萬元。如果撈炭渣的工人比較粗心，炭渣中的金屬鋁含量還將更高。由此可見，炭渣提鋁回收具有重大的經(jīng)濟價值，既能減少了帶出鋁的經(jīng)濟損失，又可減少后續(xù)炭渣回收處理的的麻煩與不利影響?；厥珍X料對于企業(yè)而言是一筆非常可觀經(jīng)濟收入。以天山鋁業(yè)年產(chǎn)生8 kt炭渣為例，可回收160 t金屬鋁，效益可達180多萬元。提鋁及浮選回收處理工藝原料及各階段產(chǎn)品見圖2。

圖2 提鋁及浮選回收處理工藝原料及各階段產(chǎn)品

4 炭渣提鋁的方法及工藝操作要點

4.1 粗篩提鋁

首先，將待處理電解鋁炭渣進行粗處理。金屬鋁液與炭渣混合撈出后，經(jīng)過冷卻，其中的鋁液變成塊狀、粒狀的金屬鋁。這些塊狀、粒狀的金屬鋁與肉眼可見的大顆粒碎石、廢鐵、陽極炭塊等雜質(zhì)必須首先通過篩分分檢出來回收。一般粗篩提鋁采用裝載機等機械進行預處理粗分，原料粒度小于200 mm的可進破碎機料斗，200 mm以上粗鋁料返回電解槽回收。

4.2 破碎球磨提細鋁料

1）原理：球磨采用溢流型球磨機，其工作原理主要由滾動軸承做支撐，通過傳動機械使其筒體旋轉(zhuǎn)，物料從給礦處給入，在筒體內(nèi)與鋼球一同完成拋落、沖擊、撞擊和自磨作業(yè)，實現(xiàn)物料磨碎。因不斷給入物料，其壓力會促使筒體內(nèi)的物料由給料端逐漸排向出料端；當?shù)V漿高出排礦端中空軸的下邊緣時，物料會自流溢出，而排礦端處的鋼球和粗物料會由反螺旋葉片返回至磨機內(nèi)，機械碎磨。

2）工藝過程：提粗鋁后，炭渣經(jīng)過電磁振動給料機、皮帶輸送機進入顎式破碎機破碎除鐵，小顆粒金屬鋁被帶入到球磨機中，在鋼球的磨輥下，變成片狀的小顆粒，經(jīng)球磨機出口的篩網(wǎng)篩出分離和回收利用。球磨機采用格子雙倉球磨機，一倉放鋼球，二倉放鋼鍛。格子式球磨機可以使鋁料強制排出，一倉鋼球主要用于砸碎物料，二倉鋼鍛主要用于把物料磨細。球磨與分級機形成閉路磨礦。球磨時給入水，將那些已經(jīng)符合細度要求的炭渣分級選出，進入浮選作業(yè)；不符合細度要求的粗粒經(jīng)過水力螺旋返回球磨機。通過一次提粗鋁、二次破碎濕磨提鋁細料，炭渣中鋁的分離回收率可達到90%以上，炭渣中鋁的質(zhì)量分數(shù)降低到0.02%以下，有效降低了炭渣含鋁對后續(xù)回收處理的影響，提高了浮選指標及生產(chǎn)效率。

3）工藝參數(shù)及浮選指標：綜上所述，球磨無論對于鋁的回收效果還是后續(xù)浮選作業(yè)都十分關鍵。在對球磨的效率和時間進行設置時，一方面要保證鋁的回收效果，另一方面要確保出料粒度、漿料濃度符合浮選分離的最佳工藝條件。一般而言，若要球磨出料粒度≤0.15，炭渣球磨分級溢流細度-200目要達到80%以上，并達到提鋁要求，球磨時間一般在30~40 min。生產(chǎn)工藝參數(shù)及浮選指標見表2、表3。

表2 破碎、破碎工藝參數(shù)

表3 浮選指標%

天山鋁業(yè)炭渣回收處理項目采用上述工藝，浮選電解質(zhì)回收率及品位高于同行業(yè)水平10%左右。

4.3 工藝操作建議

1）破碎機操作建議：電磁振動給料機進料粒度必須小于200 mm，物料中的鋁塊和木棍等雜物須人工除去。破碎機和斗式提升機必須空載啟動，停機前必須讓破碎機和斗式提升機空轉(zhuǎn)一會，清空里面的物料再停機。破碎機須經(jīng)常（每班）檢查蓖條是否損壞、螺栓是否松動和損壞、破碎腔里是否有鋁塊等不能破碎的東西。破碎機過程中有異常聲響必須立即停止給料并停機檢查。

2)球磨機操作建議：(1)球磨機、攪拌槽停機前保證物料抽空，防止發(fā)生沉槽現(xiàn)象。(2)球磨機磨頭和磨尾補水應嚴格按照生產(chǎn)工藝參數(shù)執(zhí)行。(3)磨礦工段開機前，檢查潤滑情況，球磨機減速機、渣漿泵、攪拌減速機的油位，渣漿泵機封水等是否正常，檢查完畢后聯(lián)系浮選工段人員，在浮選工段準備完畢后再開機。開機順序須嚴格執(zhí)行。（4）控制球磨機入料和磨頭水的量，物料量約2.90 t/h，旋流器底流沖洗水流量共約1.5～2.9 m3/h，磨礦漿液質(zhì)量濃度為50%~65%，根據(jù)實際情況進行微調(diào)。磨尾水量約為3.9～5.3 m3/h，旋流器給料質(zhì)量濃度約為30%，根據(jù)實際情況進行調(diào)整。（5）球磨機嚴禁長時間空負荷運轉(zhuǎn)，容易打壞襯板，球磨機每隔1周要檢查1次襯板螺栓是否松動。停機時，嚴格按照停機順序進行。停機前須用循環(huán)水涮磨約15 min，以便下次開機順利啟動。開機前應做檢查，確認渣漿泵機封冷卻水正常供應，防止燒壞渣漿泵機械密封；保證渣漿泵的潤滑以及冷卻水正常供應等。停機長時間后再啟動應確認手動盤泵幾圈無卡滯現(xiàn)象?，F(xiàn)場電磁振動給料機、破碎機、球磨機、浮選機設備見圖3。

圖3 現(xiàn)場設備

5 結(jié)論

1）炭渣產(chǎn)生于鋁電解過程中，并對鋁電解不利，必須及時撈出，盡量減少帶出鋁的損失，避免為后續(xù)炭渣回收處理帶來了更大的影響。

2）炭渣提鋁對其后續(xù)回收處理有較大影響：大塊金屬鋁會對破碎球磨分選造成卡機停運，甚至損壞設備，因此必須要粗選出來。細鋁料通過球磨機出口的篩網(wǎng)篩出后，可減少對浮選分離回收的影響，提高浮選指標。提鋁還有明顯經(jīng)濟效益，回收鋁料對于企業(yè)是一筆非常可觀經(jīng)濟收入。因此炭渣提鋁是炭渣回收處理的必要前提。

3）炭渣提鋁通過粗選提鋁、二次球磨提鋁后使鋁料和炭渣充分分離，并得到回收利用，鋁回收率可達到90%以上。但在生產(chǎn)操作上必須嚴格按照工藝參數(shù)執(zhí)行，并注意細節(jié)操作。天山鋁業(yè)通過優(yōu)化破碎球磨工藝，浮選回收處理電解質(zhì)比國內(nèi)先進水平提高了10%。